專利名稱：?jiǎn)文７怆x型co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光-CO2激光器領(lǐng)域，特別是涉及單模封離型CO2激光器諧振腔及其設(shè)計(jì)方法。
激光器在科研、工業(yè)、醫(yī)療、軍事等許多領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在眾多的激光器中，CO2激光器是其中應(yīng)用最廣的一種。在汽車工業(yè)以及其它許多部門，CO2激光器廣泛應(yīng)用于切割、焊接、燒蝕、打孔、雕刻等。
在單模封離型CO2激光器諧振腔的設(shè)計(jì)上，人們一直沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即采用經(jīng)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法首先根據(jù)激光功率P的要求來確定諧振腔長(zhǎng)度L，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取凹面反射鏡的曲率半徑R1，按腔場(chǎng)模式分布理論定出在凹面反射鏡上的光斑尺寸；然后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，確定小信號(hào)增益系數(shù)α0，由激光管的內(nèi)徑d等幾何尺寸，定出激光腔衍射損耗的菲涅爾數(shù)N和諧振腔的幾何參數(shù)g，再由N和g值從衍射損耗與菲涅爾數(shù)N之間的關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)模式的衍射損耗；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取反射鏡的吸收、散射等；最后，由理論公式，根據(jù)激光功率隨出射鏡透射率的變化，確定最佳透射率和其它參數(shù)。
這樣的設(shè)計(jì)方法存在的缺點(diǎn)在于1.它基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，很難得到優(yōu)化設(shè)計(jì)效果；2.取值受到經(jīng)驗(yàn)的制約，因而，它所確定的參數(shù)僅僅是局域的。對(duì)于整個(gè)激光系統(tǒng)，這些參數(shù)并不一定是最佳組合；3.所給出的激光器參數(shù)可選范圍很大，甚至僅僅是半定量或定性的。
本發(fā)明的目的是提供單模封離型CO2激光器諧振腔的設(shè)計(jì)方法及由該方法獲得的諧振腔參數(shù)。
該設(shè)計(jì)方法依據(jù)下述原理采用全局優(yōu)化的遺傳算法，對(duì)需要設(shè)計(jì)的激光器諧振腔參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化。遺傳算法是近年來迅速發(fā)展的一種全局優(yōu)化方法，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有“局部最大(小)”問題，計(jì)算機(jī)程序也比較容易設(shè)計(jì)。將遺傳算法作為計(jì)算機(jī)主程序，激光功率的理論模型作為子程序，將需要優(yōu)化的諧振腔參數(shù)作為主程序遺傳算法中的基因。若干個(gè)基因組成一條染色體，染色體數(shù)目可為幾百個(gè)，形成一個(gè)二維矩陣。主程序調(diào)用子程序，對(duì)染色體作二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，計(jì)算代價(jià)函數(shù)(即激光功率)并進(jìn)行優(yōu)劣排隊(duì)，保留代價(jià)函數(shù)值大的，淘汰代價(jià)函數(shù)值小的。用交叉選擇法和“二元競(jìng)爭(zhēng)”法選擇母本，形成新一代的子染色體。染色體經(jīng)歷基因突變，再重復(fù)循環(huán)若干代，最終使計(jì)算的各代價(jià)函數(shù)值趨于一致最大，可確定最佳染色體的基因，亦即最優(yōu)組合的系列參數(shù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明給出的單模封離型CO2激光器諧振腔的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟(1)確定需要優(yōu)化的激光器諧振腔參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)精度；每個(gè)參數(shù)為一個(gè)基因，若干個(gè)基因按序組成一條染色體；(2)將遺傳算法作為計(jì)算機(jī)主程序，激光功率的理論模型作為子程序；在主程序中，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生Mi條二進(jìn)制初始隨機(jī)染色體，每一條染色體與待優(yōu)化參數(shù)相對(duì)應(yīng)。對(duì)前Mw＝Mi/2條染色體，調(diào)用子程序；(3)對(duì)各染色體進(jìn)行二-十進(jìn)制解碼；用CO2激光關(guān)于Γ，T，d的理論公式，計(jì)算激光功率，并輸出之；(4)對(duì)Mw條染色體調(diào)用子程序，估計(jì)各自的代價(jià)函數(shù)值，即激光功率；(5)根據(jù)染色體對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)值，使其按從大到小順序排列，丟棄差的一半的染色體；(6)交叉法和“二元競(jìng)爭(zhēng)”法選擇母本，產(chǎn)生新一代染色體；(7)染色體發(fā)生突變(0變1，1變0)；(8)判斷收斂與否；如果不收斂，返回上述第3步，繼續(xù)循環(huán)；如果收斂，說明已經(jīng)找到最佳的基因。這時(shí)，只需對(duì)各個(gè)基因各自的0-1系列進(jìn)行二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，即可獲得各個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的具體數(shù)值；結(jié)束循環(huán)，輸出結(jié)果。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為單模封離型CO2激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)圖。
如圖示的單模封離型CO2激光器諧振腔，其中1、凹面鏡，2、電極，3、回氣管，4、貯氣管，5、水冷套，6、放電毛細(xì)管，7、平面鏡，8、進(jìn)水管，9、出水管。
具體實(shí)施步驟如下1.確定需要優(yōu)化的激光器諧振腔參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)精度。本方案需要確定優(yōu)化的參數(shù)個(gè)數(shù)為Nc＝3(Γ，T，d)，即有3個(gè)基因，基因可按Γ，T，d這樣的順序排列。每個(gè)參數(shù)為一個(gè)基因，若干個(gè)基因按序組成一條染色體。每個(gè)參數(shù)的精度可確定為1/28，即每個(gè)參數(shù)有Ng＝8個(gè)字節(jié)。對(duì)每一條染色體總共有Ntot＝Nc×Ng＝3×8＝24個(gè)字節(jié)，相當(dāng)于一個(gè)24列的一維向量。
2.將遺傳算法作為計(jì)算機(jī)主程序，激光功率的理論模型作為子程序。在主程序中，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)函數(shù)(例如，在MATLAB中，round(rand(Mi，Ntot))產(chǎn)生由0-1組成的、Mi(＝800)條二進(jìn)制初始染色體。例如，某一條染色體可以是
，其中前8位對(duì)應(yīng)的參數(shù)是Γ，第9～16位對(duì)應(yīng)的參數(shù)是T，第17～24位對(duì)應(yīng)的參數(shù)是d。一共有Mi＝800條不同0-1排列的染色體，形成800×24字節(jié)的二維矩陣。對(duì)前Mw(＝Mi/2＝400)條染色體，將其0-1矩陣作為實(shí)參，調(diào)用子程序。
在子程序中，設(shè)定待優(yōu)化參數(shù)的變動(dòng)范圍，對(duì)主程序中傳過來的染色體0-1列陣進(jìn)行二-十進(jìn)制解碼，分別將解碼后對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制基因(參數(shù))值賦給CO2激光功率理論公式中的Γ，T，d。由以下公式[1，2]計(jì)算激光功率，并將激光功率作為代價(jià)函數(shù)值返回給主程序。P=πd24ηTβIs---(1)]]>其中d為激光管直徑，η為放電管利用率，T為出射鏡透射鏡率，Is為激光飽和光強(qiáng)，β為在出射鏡上的歸一化光強(qiáng)。(a)放電管利用率η=VmVtube=∫0Lπω2(z)dzπd2L/4=4λLπd2Γ-1[1+13(Γ-1)]---(2)]]>其中Γ＝R/L(R為腔鏡曲率半徑，L為諧振腔長(zhǎng)度)，λ為激光波長(zhǎng)。(b)歸一化光強(qiáng)β=1-α{α0l+ln[(1-α)(1-α-T)]1/2}(1-α+1-α-T)[1-1-α1-α-T]---(3)]]>其中α為反射鏡單程光學(xué)損耗，小信號(hào)增益α0＝0.012～0.0025d，l為電極間距。(c)飽和光強(qiáng)Is＝72/d2。
歸納以上公式，可見當(dāng)諧振腔長(zhǎng)L一定時(shí)(電極間距l(xiāng)可稍短于L)，激光功率P最終取決于三個(gè)獨(dú)立參量Γ(或者反射鏡曲率半徑R)、出射鏡透射率T、激光管直徑d。對(duì)于反射鏡光學(xué)損耗α，它由兩部分組成衍射損耗和吸收、散射等損耗，即α＝α0+α1。比較小的吸收等損耗α1可由實(shí)驗(yàn)確定。比較重要的單程衍射損耗α0的計(jì)算比較復(fù)雜，沒有解析表達(dá)式，只有衍射積分方程，可由交叉疊代法可求解之。單程衍射損耗最終可表達(dá)為α0＝α0(g，N)，其中諧振腔幾何參數(shù)g＝1-L/R，菲涅耳數(shù)N＝d2/4λL，即只要確定了R和d(L為設(shè)計(jì)之前給定，λ為已知的激光波長(zhǎng))，就可確定α0＝α0(R，d)。為了方便，亦可采用近似表達(dá)式對(duì)平-凹腔TEM00模，有效菲涅耳數(shù)Neff1=Ng(1-g);]]> (這里N≡d2/4λL為共焦腔菲涅耳數(shù))
平-凹鏡的衍射損耗分別為α0′＝exp(-2πNeff1)，α0″e(cuò)xp(-2πNeff2)所以，總衍射損耗 3.在主程序中，對(duì)Mw條染色體調(diào)用子程序，估計(jì)代價(jià)函數(shù)值(激光功率)，并將激光功率返回給主程序。例如，隨機(jī)產(chǎn)生的前8條染色體可為No. 染色體0-1排列 代價(jià)函數(shù)1 01011100 11001011 01100101 2.32 00110101 11010111 00010011 6.73 10011110 01001000 11010010 5.24 11010010 11001010 00011010 13.05 01010101 10110101 00011010 1.86 10101011 11100001 00011010 10.47 10011010 11100110 010101100 3.78 11100001 10101100 10100010 0.54. 將染色體排序，方法是根據(jù)染色體對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)值，將代價(jià)函數(shù)值最大的染色體排到最前面，將代價(jià)函數(shù)值最小的染色體排到最后面，并丟棄最差的一半數(shù)量的染色體(丟棄的染色體數(shù)是Mw/2，留存的好的染色體數(shù)也是Mw/2，)。排序后，應(yīng)為如下No. 染色體0-1排列 代價(jià)函數(shù)保留否411010010 11001010 00011010 13.0 保留610101011 11100001 00011010 10.4 保留200110101 11010111 00010011 6.7保留310011110 01001000 11010010 5.2保留700111010 11100110 0101011003.7 不保留101011100 11001011 01100101 2.3 不保留501010101 10110101 00011010 1.8 不保留811100001 10101100 10100010 0.5 不保留5.交叉法選擇母本，產(chǎn)生新一代的子染色體。例如，如上表所示，將代價(jià)函數(shù)值最大的No.4染色體每一個(gè)基因的前(后)半部分與次最大No.6染色體對(duì)應(yīng)基因的后(前)半部分進(jìn)行交叉交換，將No.2與No.3分別進(jìn)行兩兩交叉交換，形成新的子染色體。新的子染色體數(shù)目為Mw/2，它們與原留存的好的染色體(數(shù)目為Mw/2)一起組成數(shù)目為Mw的下一代子染色體。交換后，新一代的子染色體可如下表所示No. 染色體0-1排列 代價(jià)函數(shù)1 10110010 00011010 101010102 10101101 11101100 000100013 11100101 10000111 001000114 10010011 01001101 110100015(原4) 11010010 11001010 00011010 13.06(原6) 10101011 11100001 00011010 10.47(原2) 00110101 11010111 00010011 6.78(原3) 10011110 01001000 11010010 5.26.新的Mw條子染色體發(fā)生突變(0變1，1變0)，突變幾率可選為～2％。這一步的目的是在初始給定待優(yōu)化參數(shù)范圍時(shí)，可能有尚未包括進(jìn)來的優(yōu)化范圍，通過突變，可包括進(jìn)來，全局優(yōu)化，以免遺漏。
7. 檢查各染色體的代價(jià)函數(shù)值是否已經(jīng)趨向一致或基本一致。如果尚未一致，說明仍未到達(dá)最優(yōu)，仍需繼續(xù)尋找，返回上述第3步，繼續(xù)循環(huán)。否則，說明已經(jīng)找到最佳的3個(gè)基因。假定上表中的代價(jià)函數(shù)值已經(jīng)收斂(即No.1～No.8代價(jià)函數(shù)值已經(jīng)趨向一致，則其1～8位的10110010對(duì)應(yīng)于參數(shù)Γ(或R)，9～16位的00011010對(duì)應(yīng)于參數(shù)T，17～24位的10101010對(duì)應(yīng)于參數(shù)d。這時(shí)，只需對(duì)3個(gè)基因各自的0-1系列進(jìn)行二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，即可獲得Γ(或R)，T，d三個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的具體數(shù)值。
8.輸出結(jié)果，結(jié)束。
本方案采用的3個(gè)待優(yōu)化參數(shù)的變動(dòng)范圍是(1)Γ值Γ＝R/L＝2～10(L＝120cm)。(2)平面出射鏡反射率R2＝1-α-T＝0.1~1(由R2可確定透射率T，當(dāng)反射鏡光學(xué)損耗α＝α(g，N)給定時(shí)，可見前所述如何確定α)。(3)放電管直徑d與凹面鏡上單模光斑半徑ropt之比η＝d/ropt＝1～10，其中ropt=/πλL[/L(R-L)R2]1/4,]]>由η可確定放電管直徑d(當(dāng)反射鏡曲率半徑R和諧振腔長(zhǎng)度L等確定時(shí))。
根據(jù)上述方法得出的單模封離型CO2激光器諧振腔等參數(shù)如下表所示。該表格對(duì)用該方法獲得的優(yōu)化數(shù)據(jù)與用傳統(tǒng)方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，其中設(shè)計(jì)前已確定激光器諧振腔長(zhǎng)L＝120cm。
參 數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù) 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)放電毛細(xì)管直徑d 1.01～1.10cm 0.95～1.0cm凹面鏡曲率半徑R 10m 3～5m平面鏡反射率R2 0.718～0.714 0.65平面鏡透射率T； 0.252～0.257 0.32激光功率P 105w 55～60w采用該設(shè)計(jì)方法有下列有益效果激光器的性價(jià)比大大提高，并且設(shè)計(jì)成本低，周期短，確保給出的參數(shù)為全局最佳。此外，本發(fā)明很容易推廣應(yīng)用至對(duì)CO2激光器充氣成分配比的優(yōu)化，應(yīng)用至其它激光器設(shè)計(jì)與工程問題上。
權(quán)利要求
1.單模封離型CO2激光器諧振腔的設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法將全局優(yōu)化工具-遺傳算法，應(yīng)用于CO2激光器諧振腔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它包括以下步驟(1)確定需要優(yōu)化的激光器諧振腔參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)精度，每個(gè)參數(shù)為一個(gè)基因，若干個(gè)基因按序組成一條染色體；(2)將遺傳算法作為計(jì)算機(jī)主程序，激光功率的理論模型作為子程序；在主程序中，隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生Mi條二進(jìn)制初始隨機(jī)染色體，每一條染色體對(duì)應(yīng)于一個(gè)待優(yōu)化參數(shù)；對(duì)前Mw＝Mi/2條染色體，調(diào)用子程序；(3)對(duì)各染色體進(jìn)行二-十進(jìn)制解碼；用CO2激光關(guān)于Γ，T，d的理論公式，計(jì)算激光功率，并輸出之；(4)對(duì)Mw條染色體調(diào)用子程序，估計(jì)各自的代價(jià)函數(shù)值，即激光功率；(5)根據(jù)染色體對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)值，使其按從大到小順序排列，丟棄差的一半的染色體；(6)用交叉法和“二元競(jìng)爭(zhēng)”法選擇母本，產(chǎn)生新一代染色體；(7)染色體發(fā)生突變(0變1，1變0)；(8)判斷收斂與否；如果不收斂，返回上述第(3)步，繼續(xù)循環(huán)；如果收斂，說明已經(jīng)找到最佳的3個(gè)基因；這時(shí)，只需對(duì)3個(gè)基因各自的0-1系列進(jìn)行二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，即可獲得各個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的具體數(shù)值；結(jié)束循環(huán)，輸出結(jié)果。
2.按上述方法得到的單模封離型CO2激光器諧振腔，其腔長(zhǎng)為120cm，包括凹面鏡(1)、電極(2)、回氣管(3)、貯氣管(4)、水冷套(5)、放電毛細(xì)管(6)、平面鏡(7)、進(jìn)水管(8)、出水管(9)，其特征在于放電毛細(xì)管直徑為1.01～1.10cm；凹面鏡曲率半徑為10m；平面鏡反射率為0.714～0.718；平面鏡透射率為0.252～0.257；激光功率為105w。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用遺傳算法的單模封離型CO
文檔編號(hào)H01S3/08GK1361566SQ0013653
公開日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2000年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者程成 申請(qǐng)人:程成